RU2000551C1 - Емкостной уровнемер - Google Patents

Abstract

Сущность: устройство содержит усилитель , выполненный на КМОП-транзисторе, два резистора, генератор, емкостный датчик , выполненный в виде двух электродов, ключ, выполненный на КМОП-транзисторе, экранированную линию св зи. 1 ил. 70 С

Description

Изобретение относитс  к приборостроению , в частности к емкостным уровнемерам , содержащим емкостные датчики, емкость которых соизмерима или много меньше паразитных емкостей линии св зи.

При емкостном методе измерени  уровн  большую погрешность может внести емкость линии св зи Сп, а также паразитные емкости датчика. При наличии паразитной емкости Сп, шунтирующей датчик, основные составл ющие погрешности простейшего уровнемера возрастают примерно в Сп/Ср раз, где Ср - рабоча  емкость датчика. С учетом сказанного погрешность простейших емкостных уровнемеров в реальных услови х может составл ть дес тки процентов . Кроме того, нестабильность емкости линии св зи, например температурна , приводит к дополнительным погрешност м измерени  уровн  жидкости. Существует несколько способов компенсации паразитных емкостей линии св зи и датчика. Например , в патенте США вли ние емкости линии св зи устран етс  путем размещени  преобразовател  непосредственно вблизи чувствительного элемента датчика так, что емкость линии св зи много меньше емкости датчика. Другим устройством, позвол ющим компенсировать емкость линии св зи,  вл етс  зар дочувствительный усилитель

Ю О

о о ел ел

о

(34у) В ЗЧУ компенсаци  лини  св зи и паразитных емкостей происходит за счет того, что параллельно емкости линии св зи подключаетс  динамическа  емкость Сдин Сп. Больша  динамическа  емкость ЗЧУ получаетс  за счет отрицательной емкостной св зи (эффект Миллера)

Сдин Сог(1 К)

(1)

/Другим устройством дл  компенсации емкости линии св зи  вл етс  эквипотенциальное экранирование или эквипотенциальна  защита. Дл  этой цели на экран линии оалзи или электрод паразитной емкости через повторитель напр жени  подаетс  напр жение , равное напр жению центрального проводника,подключенного к входу повторител . Ток с центрального про- иодпик-з на экран отсутствует, так как равны потенциалы центрального проводника и зк- ропа.

F3 о.с. 135459 повышение точности измерени  достигаетс  за счет зар да - разр да емкости измерительного и компенсационного датчиков через ключи, коммутируемые генератором. Компенсационный датчик уст- рантст вли ние диэлектрической проницаемости измер емого продукта на результат тмерспи),

В качестве недостатка этого технического решени  следует отметить, что такой уровнемер работоспособен при емкост х измерительного и компенсационного датчи ков много больше емкости линии св зи, т.е. лини  св зи и паразитные емкости оказывают сли ние на функцию преобразовани  Другим его недостатком  вл етс  трудность создани  а микроэлектронном исполнении стабильных емкостей, равных емкости датчика .

Целью изобретени   вл етс  повыше/ нио точности измерени  уровн  за счет уменьшени  вли ни  линии св зи и шумов усилител .

Цель достигаетс  тем, что в емкостный уровнемер, содержащий датчик, выполнен ный в виде первого и второго электродов, генератор, подключенный к первому входу ключа, первый выход которого соединен с пр мым входом усилител , инверсный вход которого подключен к точке соединени  первого и второго резисторов, введена клемма напр жени  смещени , соединенна  с вторым выходом ключа, выполненного на КМОП-транзисторах, второй вход которого подключен к второму электроду датчика , первый электрод которого соединен с выходом генератора, при этом вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к общей шине и выходу усилител , выполненного на КМОП-трэнзи-

10

15

20

25

сюрах и с возможностью подключени  его пр мого входа через экранированную линию св зи поочередно к второму электроду датчика и к клемме напр жени  смещени .

Сравнение за вл емого решени  с другими техническими решени ми показывает, что в данном техническом решении используетс  широко известное преобразование емкости в напр жение в емкостном делителе Сд, Сох ус Компенсаци  паразитной емкости линии св зи и датчика осуществл етс  также известным методом эквипотенциального экранировани . Однако при их введении в указанной св зи с остальными элементами схемы удалось устранить недостатки преобразовани  емкости в напр жение при помощи емкостного делител  и метода эквипотенциального экранировани , а также уменьшить шумы высокоомно- го делител , задающего положение рабочей точки входного каскада

Преобразование емкости в напр жение о емкостном делителе осуществл етс  по Формуле

. Сд , Ur

30

35

40

45

50

55

Ur

С

DX ус

1 +

Сд

(2)

Свх ус

Передаточна  характеристика такого преобразовател  нелинейна и линеаризуетс  лишь при Сд « Свх ус Однако практически реализаци  такого режима св зана с трудност ми, обусловленными резким падением чувствительности. Применение усилител позвол етповысить чувствительность емкостного делител  и устранить этот недостаток.

Использование во входном каскаде и ключе КМОП-транзисторов позвол ет устранить основной недостаток метода эквипотенциального экранировани  - исключить вли ние емкости входного каскада на стабильность преобразовани , поскольку емкости в бипол рных схемах  вл ютс  температурно зависимыми. Исследованна  авторами нестабильность входных емкостей КМОП-транзисторов в диапазоне температур от 20 С до 20 К не превышала 1 %.

На чертеже изображена электрическа  схема уровнемера. Уровнемер содержит усилитель 1, инвертирующий вход которого соединен с общей точкой делител , состо щего из резистора 2 и 3, первый резистор соединен с общей шиной а второй - с выходом усилител , генератор 4 подключен к первому электроду емкостного датчика 5 и ключу 6, первый выход которого через линию 7 св зи соединен с вторым электродом емкостного датчика 5. а второй выход ключа подключен к напр жению смещени 

Емкостный уровнемер работает следующим образом

Сигнал с генератора 1 пр моугольных импульсов поступает на емкостный датчик 5 уровн  и через ключ 6, управл емый входными импульсами генератора, на инвертирующий вход усилител  1. На входе усилител  1 в соответствии с формулой (2) сигнал делител  на входной емкости и усиливаетс . Дл  усилител  с коэффициентом усилени  К 1 (при разомкнутой обратной св зи):

.. R2 + Кз

Uex.yc.

U

оых

R2

(3)

Сигнал на инвертирующем сходе усилител  1 будет равен:

. . Оных , ,,.,

UHMB - -5Г-и Uux.yc.(Ч)

R3 + R2 ux-yiТаким образом, в усилителе с коэффициентом усилени  (при разомкнутой обратной св зи) К 1 сигнал на неинвертирующем входе равен сигналу на инвертирующем входе. Если паразитные емкости линии св зи, которые необходимо компенсировать, соединить с инвертирующим входом усилител  1, то центральный проводник и экран линии 7 св зи окажутс  под одним потенциалом и паразитна  ом- кость линии св зи не будет оказывать вли ние уровнемера.

Экспериментальные исследовани  данного уровнемера показывают, что он обладает более высокой точностью,

расширенным диапазоном рабочих температур , вплоть до криогенных, а также может быть выполнен в микроолектронном исполнении . Кроме того, дл  данного уровнемера не требуетс  усилитель с высоким и стабильным коэффициентом усилени , з достаточно К 1 ...5, что позвол ет использовать КМПО- усилигели даже при криогенных температурах .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Емкостный уровнемер, содержащий датчик, выполненный в виде первого и второго электродов, генератор, подключенный

   к первому входу ключа, первый выход которого соединен с пр мым входом усилител , инверсный вход которого подключен к точке соединени  первого и второго резисторов, отличающийс  тем, что. с целью

   повышени  точности . в него введена клемма напр жени  смещени , соединена с вторым выходом ключа, выполненного на КМОП транзисторе, второйвход которого подключен к второму электроду датчика,

   первый электрод которого соединен с выходом генератора, при этом вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к общей шине и выходу усилител , выполненного на КМОП -трзнзисторе и с возможностью подключени  его пр мого входа через экранированную линию св зи поочередно к второму электроду датчика и клемме напр жени  смещени .

   4

   Т i

   J

   п

   г

   1-т-«о

   i

   а

   гт.i